DE102004016669B3 - Method for testing a laser weld seam - Google Patents
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Abstract
Beim Laserstrahlschweißen einzelner oder mehrerer Werkstücke können Fehler auftreten, die zu nicht tolerierbaren Qualitätseinbußen führen. Zur Qualitätssicherung sind sowohl subjektive Sichtprüfungen als auch automatisierte Prüfungen der Naht üblich. Bei den automatisierten Verfahren wird üblicherweise während des Schweißens die Bearbeitungsstelle mittels Punkt- oder Flächendetektoren (Kameras) überwacht. Derartige Verfahren können Fehler, die erst nach der eigentlichen Interaktion von Laserstrahl und Werkstück auftreten, insbesondere Erstarrungsphänomene, nicht erfassen. Darüber hinaus werden einige qualitätsrelevante Unregelmäßigkeiten nicht erkannt, weil entsprechende Prozesssignale durch stärkere, aber aussagelose Signale des Prozessleuchtens überlagert werden. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Prüfverfahren anzugeben, welches Nahtfehler sicherer erkennt. DOLLAR A Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Prüfung einer Naht, die mittels Laserstrahlschweißen in ein oder mehrere Werkstücke eingebracht wird, bei dem charakteristische Signale aus dem Bereich der Naht mittels eines Sensors empfangen und mit Sollwerten verglichen werden, wobei nur Signale berücksichtigt werden, die in einem charakteristischen Zeitintervall nach dem Laserstrahlschweißen empfangen werden, welches frühestens nach der Verfestigung der Naht beginnt.Laser beam welding of single or multiple workpieces can lead to errors that lead to intolerable quality losses. For quality assurance, subjective visual inspections as well as automated seam inspections are common. In automated processes, the processing point is usually monitored during welding by means of point or area detectors (cameras). Such methods can not detect errors that occur only after the actual interaction of laser beam and workpiece, in particular solidification phenomena. In addition, some quality-related irregularities are not recognized, because corresponding process signals are superimposed by stronger, but meaningless signals of the process lighting. DOLLAR A The object of the present invention is to provide a test method that detects seam error safer. DOLLAR A This object is achieved by a method for testing a seam, which is introduced by means of laser beam welding in one or more workpieces, are received in the characteristic signals from the region of the seam by means of a sensor and compared with nominal values, whereby only signals are taken into account which are received in a characteristic time interval after the laser beam welding, which begins at the earliest after the solidification of the seam.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer Laserschweissnaht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a method for testing a laser weld seam according to the generic term of claim 1
Beim Laserstrahlschweißen einzelner oder mehrerer Werkstücke können Fehler auftreten, die zu nicht tolerierbaren Qualitätseinbußen führen. Zur Qualitätssicherung sind sowohl subjektive Sichtprüfungen als auch automatisierte Prüfungen der Naht üblich.At the laser welding single or multiple workpieces can Errors occur that lead to intolerable quality losses. For quality assurance are both subjective visual inspections as well as automated tests the seam usual.
Bei den automatisierten Verfahren wird üblicherweise während des Schweissens die Bearbeitungsstelle mittels Punkt- oder Flächendetektoren (Kameras) überwacht. Derartige Verfahren können Fehler, die erst nach der eigentlichen Interaktion von Laserstrahl und Werkstück, insbesondere Erstarrungsphänomene, nicht erfassen. Darüber hinaus werden einige qualitätsrelevante Unregelmäßigkeiten nicht erkannt, weil entsprechende Prozesssignale durch stärkere, aber aussagelose Signale des Prozessleuchtens überlagert werden.at The automated procedure is usually used during the Welding the processing point monitored by means of point or area detectors (cameras). Such procedures can cause errors, the first after the actual interaction of laser beam and workpiece, in particular Solidification phenomena, do not capture. About that In addition, some quality-relevant irregularities not recognized, because corresponding process signals through stronger, but meaningless signals of the process lighting are superimposed.
Diese
Problematik wird teilweise durch ein Verfahren gemäß der
Gemäß der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Prüfverfahren anzugeben, welches Nahtfehler sicherer erkennt.The It is therefore an object of the present invention to provide a test method specify which seam error detects more reliably.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.These Task is by a method with the characteristics of the preamble of claim 1 solved by its characterizing features. advantageous Embodiments are specified in the subclaims.
Gemäß der Erfindung werden zur Prüfung einer Naht, die mittels Laserstrahlschweißen in ein oder mehrere Werkstücke eingebracht wird, charakteristische Signale aus dem Bereich der Naht mittels eines Sensors empfangen und mit Sollwerten verglichen werden, wobei nur Signale berücksichtigt werden, die in einem charakteristischen Zeitintervall nach dem Laserstrahlschweissen empfangen werden, welches frühestens nach der Verfestigung der Naht beginnt, wobei zumindest während des Zeitintervalls ein von dem Schweisslaser erzeugtes Meßsignal optischer und/oder thermischer Art über eine Scannereinrichtung in Richtung auf die Naht gelenkt wird.According to the invention become an exam a seam which is introduced by means of laser beam welding in one or more workpieces is, characteristic signals from the area of the seam by means of a Sensors are received and compared with setpoints, with only Signals considered which are in a characteristic time interval after the laser beam welding to be received at the earliest after solidification of the suture begins, at least during the Time interval generated by the welding laser measurement signal optical and / or thermal type via a scanner device is directed in the direction of the seam.
Im
Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik, die das Prozessleuchten
während
des Laserstrahlschweissens untersuchen, erfolgt die erfindungsgemäße Überprüfung ausschließlich anhand von
Signalen, die nach dem Laserstrahlschweissen empfangen werden. Im
Gegensatz zu dem Verfahren gemäß der
Dadurch werden Nahtfehler wesentlich sicherer erkannt, da während und auch noch kurz nach Erlöschen des Prozessleuchtens noch Teile des Werkstückmaterials in schmelzflüssiger Phase vorliegen. Verschiedene physikalische Phänomene, insbesondere die Minimierung der Grenzflächenenergie aber auch Konvektion und Diffusion, können dazu führen, dass die schmelzflüssige Phase ihre Oberflächenform sowie ihre innere Struktur und somit die Nahtqualität während des Erstarrens verändert.Thereby Seam defects are detected much safer because during and even shortly after going out the process lighting still parts of the workpiece material in molten phase available. Different physical phenomena, in particular the minimization the interface energy but also convection and diffusion, can cause that the molten one Phase their surface shape as well as their internal structure and thus the seam quality during the Freezing changed.
Derartige Nahtfehler können mit Verfahren, welche das Prozessleuchten oder die schmelzflüssige Naht untersuchen, nicht festgestellt werden, wohl aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, da es erst nach dem Ablauf dieser physikalischen Phänomene mit der Überprüfung beginnt.such Seam defects can with procedures involving the process lights or the molten seam investigated, but not determined, but with the method according to the invention, since it is only after the expiration of these physical phenomena with the review begins.
Der
Vergleich der empfangenen Signale mit den Sollwerten kann nach bekannten
Verfahren, z.B. gemäß der
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird daher das charakteristische Zeitintervall in Abhängigkeit von Materialeigenschaften des Werkstücks und von Prozessparametern der Laserbearbeitung definiert. Dabei sind für Beginn und Ende des Zeitintervalls jeweils verschiedene Zeitpunkte möglich: Der absolut früheste sinnvolle Zeitpunkt für den Beginn ist der, zu dem zumindest eine dünne Haut der Schweissnaht wieder erstarrt ist, vorzuziehen ist die Erstarrung des gesamten aufgeschmolzenen Materials, denkbar ist auch danach noch für einen kurzen Zeitraum zu warten. Der früheste Zeitpunkt für das Ende des Zeitintervalls ist durch die minimale Länge des Zeitintervalls gegeben, welches benötigt wird, um eine ausreichende Menge an Signaldaten zu empfangen. Zur Erhöhung des Messqualität kann das Zeitintervall aber auch länger gewählt werden.In an advantageous embodiment, therefore, the characteristic time interval is defined as a function of material properties of the workpiece and of process parameters of the laser processing. Different time points are possible for the beginning and end of the time interval: The absolutely earliest sensible point in time for the beginning is that to which at least one thin skin of the weld has solidified again, the solidification of the entire molten material is preferable to wait for a short period of time. The earliest time for the end of the time interval is given by the minimum length of the time interval needed to receive a sufficient amount of signal data to catch. To increase the quality of the measurement, the time interval can also be selected longer.
Die jeweiligen Zeitpunkte können empirisch oder mittels Simulationen nach bekannten Verfahren ermittelt werden.The respective times can determined empirically or by simulations according to known methods become.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Signale optischer und/oder thermischer Art empfangen, die aus dem Bereich der Naht emittiert oder reflektiert werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung, besteht darin, das aus derartigen Daten besonders einfach nach bekannten Verfahren auf Nahtfehler geschlossenen werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, signals are optical and / or thermal type emanating from the region of the seam or reflected. The advantage of this embodiment is therein, the data from such data very easily known Procedure on seam error can be closed.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer CCD-Kamera für den Empfang der Signale. Derartige Kameras sind für den optisch und thermischen (IR) Bereich verfügbar und liefern bei minimalem Handhabungsaufwand eine gegenüber optischen oder thermischen Punktsensoren vielfach größere Datenmenge. Aber auch andere elektronische Kameras sind geeignet, z.B. eine CMOS-Kamera. Für geringere Anforderungen genügen auch Punktsensoren, z.B. Dioden.Especially advantageous is the use of a CCD camera for the reception the signals. Such cameras are for the optical and thermal (IR) Area available and provide a minimum of handling expense over optical or thermal point sensors much larger amount of data. But also other electronic cameras are suitable, e.g. a CMOS camera. For less requirements met also point sensors, e.g. Diodes.
Zumindest während des charakteristischen Zeitintervalls wird ein Messsignal optischer und/oder thermischer Art in Richtung auf den Bereich der Naht emittiert und dann das von Naht reflektierte Signal detektiert. Das Messsignal kann während der gesamten Intervalllänge oder auch kontinuierlich ausgestrahlt werden, ausreichend ist aber auch ein kürzerer Messimpuls solange er nur während des Messintervalls erfolgt. Dadurch ist man nicht mehr auf den Empfang von Signalen beschränkt, die noch von dem Energieeintrag durch den vorhergehendem Laserimpuls resultieren, d.h. optische und/oder thermische Strahlung der bereits er starrten aber erst noch glühenden, dann noch heißen bis warmen Naht.At least while of the characteristic time interval, a measurement signal becomes more optical and / or thermal type emitted toward the region of the seam and then detecting the signal reflected from suture. The measuring signal can while the entire interval length or be broadcast continuously, but is sufficient also a shorter one Measuring pulse as long as he only during of the measuring interval. This is no longer on the reception limited by signals, the still of the energy input by the previous laser pulse result, i. optical and / or thermal radiation already but he was still staring, then still hot until warm seam.
Das Messsignal kann von dem Schweisslaser oder einem anderen Emitter emittiert werden. Entscheidend ist, dass der Energieeintrag in die Naht so gering bleibt, dass das Material der Naht nicht erneut aufschmilzt.The Measurement signal can be from the welding laser or another emitter be emitted. It is crucial that the energy input into the Seam remains so low that the material of the seam does not melt again.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, eine Scanner-Einrichtung zu verwenden, um den Laserstrahl auf die Oberfläche des zu schweissenden Werkstücks zu lenken. Eine Scanner-Einrichtung ist eine besonders schnelle und flexible Strahlablenk-Einrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem (aus mindestens einem ein- oder mehr-achsig ansteuerbaren schwenkbaren Spiegeln) oder auch aus akusto-optische Modulatoren.When it has proven particularly advantageous to have a scanner device to use to direct the laser beam to the surface of the workpiece to be welded. A scanner setup is a particularly fast and flexible one Beam deflecting device, such as a mirror system (off at least one single or multi-axis controllable pivotable Mirrors) or acousto-optic modulators.
Der große Vorteil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der hohen Geschwindigkeit, mit der die Scanner-Einrichtung den Laserstahl mit hoher Präzision über die Oberfläche eines Werkstücks lenken kann. Dadurch kann derselbe Laserstrahl (mit gleicher Leistung und Fokussierung aber unterschiedlicher Vorschubgeschwindigkeit) in sehr kurzen Zeiträumen sowohl zum Schweissen einer vorgegebenen Naht als auch als Messsignal über exakt dieselbe Naht geführt werden.Of the size Advantage of this embodiment of the method according to the invention consists in the high speed, with which the scanner setup the laser steel with high precision over the surface a workpiece can direct. This allows the same laser beam (with the same power and focusing but different feed rate) in very short periods of time both for welding a given seam and as a measurement signal over exactly led the same seam become.
Die Anordnung des Sensors ist grundsätzlich beliebig, solange er nur die charakteristischen Signale aus dem Bereich der Naht empfangen kann. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die bereits vorhandene Strahlführung der Scanner-Einrichtung zu verwenden. Dazu wird lediglich ein Strahlteiler und optional ein Shutter in den Strahlengang des Laserstrahls eingefügt. Der Strahlteiler lenkt das Messsignal auf dem Rückweg von der Oberfläche des Werkstücks auf den Sensor. Der Shutter ist zwischen Strahlteiler und Sensor angeordnet und schließt diesen Weg während des Schweissens, um den Sensor vor zu starken Signalen zu schützen.The Arrangement of the sensor is basically arbitrary, as long as he has only the characteristic signals from the field of Seam can receive. It has proved to be particularly advantageous the already existing beam guidance to use the scanner device. This is just a beam splitter and optionally a shutter inserted in the beam path of the laser beam. Of the Beam splitter directs the measuring signal on the way back from the surface of the workpiece on the sensor. The shutter is between the beam splitter and the sensor arranged and closes this way during welding to protect the sensor from strong signals.
Diese Ausgestaltung erlaubt es, denselben Laser sowohl als Bearbeitungswerkzeug als auch als Messgerät zu verwenden. Die Scanner-Einrichtung erlaubt, Werkstück und/oder Bearbeitungsoptik während Bearbeitung und Messung bereits in Richtung auf andere Bearbeitungsstellen zu verfahren und minimiert so die Prozesszeit.These Embodiment allows the same laser both as a machining tool as well as a measuring device to use. The scanner device allows workpiece and / or Editing optics during Machining and measuring already in the direction of other machining points to proceed, thus minimizing the process time.
Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert:
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
wird zunächst
ein für
ein gegebenes Werkstück
und gegebene Laserparameter geeignetes charakteristisches Zeitintervall empirisch
bestimmt. Dazu wird zunächst
etwas Werkstückmaterial
geschmolzen und danach während
des Übergangs
von der schmelzflüssigen
zur festen Phase mittels einer IR-CCD-Kamera beobachtet, um charakteristische
IR-Signale für
den Phasenübergang
zu ermitteln. Danach erfolgt eine kontinuierliche Beobachtung einer
Lasernaht mittels dieser IR-CCD-Kamera. Zu einem Zeitpunkt, zu dem
sich bereits ein relatives Gleichgewicht zwischen Energiezufuhr
durch den schweissenden Laserstrahl und Energieabfuhr über Wärmetransport
durch Nahtwand und Luft eingestellt hat, wird der zeitliche Verlauf
der Nahtabkühlung
direkt nach dem Ende einer Schweissbearbeitung beginnend beobachtet.
Diese Beobachtung wird mehrmals wiederholt und jeweils wird der
Zeitpunkt bestimmt, zu dem das charakteristische Signal des Phasenübergangs
an signifikanten Stellen der Naht erreicht wird. Diese Zeiten werden gemittelt.
Der Mittelwert liefert ein bewährtes
Maß für den frühesten Anfang
des charakteristischen Zeitintervalls für den gesamten Zeitraum der
Laserbearbeitung, da davon ausgegangen wird, dass die Abkühlung zu
Beginn der Naht, also vor Erreichen des relativen Gleichgewichts,
aufgrund der noch kalten Nahtumgebung schneller erfolgt. Als Länge des
charakteristischen Zeitintervalls wird die doppelte minimal benötigte Messdauer
gewählt.
Die minimal benötigte Messdauer
reicht gerade aus, um ein aussagekräftiges Signal zu erfassen.The method according to the invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment:
According to the embodiment, first, a characteristic time interval suitable for a given workpiece and given laser parameter is determined empirically. For this purpose, first some workpiece material is melted and then observed during the transition from the molten to the solid phase by means of an IR-CCD camera to determine characteristic IR signals for the phase transition. Thereafter, a continuous observation of a laser seam by means of this IR-CCD camera. At a time when a relative balance between energy input by the welding laser beam and energy dissipation via heat transfer through the proximity wall and air has already been established, the time course of the seam cooling is observed starting immediately after the end of a welding process. This observation is repeated several times and in each case the time is determined at which the characteristic signal of the phase transition is reached at significant points of the seam. These times are averaged. The mean value provides a proven measure of the earliest beginning of the characteristic time interval for the entire period of the laser processing, since it is assumed that the cooling at the beginning of the seam, ie before reaching the rela tive balance, due to the still cold seam environment is faster. The length of the characteristic time interval is chosen to be twice the minimum required measurement duration. The minimum required measurement time is just enough to capture a meaningful signal.
Nachdem so ein geeignetes charakteristisches Zeitintervall definiert ist, kann die eigentliche Fertigungsüberwachung erfolgen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden zwei plattenförmige Werkstücke mit kurzen Nähten (in der Art einer Steppnaht) miteinander verschweisst. Um die Prozesszeit zu minimieren, wird nach Fertigstellung einer Steppnaht nicht bis zum oben definierten frühesten Beginn des charakteristischen Zeitintervalls gewartet und dann gemessen, sondern zunächst eine zweite Steppnaht geschweisst. Nach deren Fertigstellung ist der früheste Beginn des charakteristischen Zeitintervalls der vorhergehenden Naht bereits erreicht oder überschritten und die Naht erstarrt. Die Scanner-Einrichtung führt nun denselben Laserstrahl mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit als Messignal über die vorhergehende Naht. Aufgrund der erhöhten Vorschubgeschwindigkeit wird die Naht nicht erneut aufgeschmolzen, sondern nur erwärmt. Die von der Naht ausgehende IR-Strahlung wird von einem Strahlteiler im Strahlengang des Laserstrahls auf die IR-CCD-Kamera geführt und dort erfasst. Danach wird erst eine weitere Naht geschweisst, bevor die zweite Naht geprüft wird, um auch deren Erstarrung abzuwarten.After this if a suitable characteristic time interval is defined, can be the actual production monitoring respectively. According to this embodiment be two plate-shaped workpieces with short seams (in the manner of a stitching) welded together. To the process time To minimize, after completion of a stitching is not up to the earliest defined above The beginning of the characteristic time interval waited and then measured, but first welded a second stitching. After its completion is the earliest Beginning of the characteristic time interval of the preceding one Seam already reached or exceeded and the seam freezes. The scanner device now carries the same laser beam increased Feed rate as a measuring signal over the previous seam. Due to the increased feed speed The seam is not melted again, but only heated. The IR radiation emanating from the seam is from a beam splitter guided in the beam path of the laser beam to the IR CCD camera and recorded there. Thereafter, another seam is welded before the second seam checked to wait for their solidification.
Die
IR-Signale der IR-CCD-Kamera, die während dem charakteristischen
Zeitintervall jeweils nach der Laserbearbeitung empfangen wurden,
werden mit vorher festgelegten Sollwerten verglichen. Der Vergleich
erfolgt nach bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik, beispielsweise
gemäß
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für die schnelle und einfache Prüfung der Laserschweissnähten von Karosserieblechen wie sie im Automobilbau Verwendung finden, da dort besonders hohe Qualitätsanforderungen bestehen, die von Verfahren nach dem nach dem Stand der Technik nicht befriedigend erfüllt werden können.The inventive method proves in the embodiments The examples described above are particularly suitable for the fast and simple exam the laser welding seams of body panels as used in the automotive industry, There are particularly high quality requirements consist of methods according to the prior art not satisfactorily fulfilled can be.
Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.The Invention is not limited to the previously described embodiments limited, but rather transferable to others.
So können für eine Reihe von Anwendungen, für welche die Qualitätsanforderungen etwas geringer sind, auch Messungen mittels optischer und/oder thermischer Punktsensoren anstatt einer CCD-Kamera oder CMOS-Kamera ausreichen.So can for one Set of applications, for which the quality requirements are slightly lower, including measurements by optical and / or thermal Point sensors instead of a CCD camera or CMOS camera suffice.
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